长江水位实时查询网 全球卫星定位系统的水位数据自动采集及实时传输系统研制
时间：2019-05-16 03:25:55 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：随着水位自动采集的发展，GPS实时差分测量技术的日益成熟，水位数据的实时采集及传输，对防汛抗旱减灾、雨洪资源化、水资源的合理开发利用，提供了可靠的信息。 关键词：水位GPS应用 效益
Abstract: With the development of automatic water level collection, GPS differential measurement technology has become more sophisticated, the water level real time data acquisition and transmission, provides reliable information for flood control and drought mitigation, rainwater resources, rational development and utilization of water resources.
Key words: water level； GPS； application； benefits
中图分类号：P228.4文献标识码：A 文章编码：
一、项目研究的必要性
水位反映了实际水面的涨落，以及与防洪水位警戒线的关系，对于防洪抗涝具有非常重要的作用。
传统的水位监测方法一般有以下几种：
1、在指定的断面附近布设水尺，定时进行人工观测，并记录，利用电话或网络进行传输；
2、设置水位计，每天进行仪器校正并换纸；
3、近几年发展起来的水位自动遥测系统。
以上几种方法，都有一个相同的特点，即设立固定的监测设施，建成后系统无法移动，仅能对单个位置或断面的水位进行反映，无法呈现整个河道的变化信息，特别是突发信息。另外，上述系统在测量前均需要设定初始高程（即零点高程），而这必须进行水准联测。
我局所辖水位站个数多、分布广，每个水位站均需要人员长期驻守，且水位数据的汇总存在着严重的滞后现象，这种情况不但耗费了大量的人力、物力，而且还难以达到水情准确、实时预报的目的，给防洪抗涝以及领导快速和准确决策带来了很大的不便。因而，研制水位数据的自动采集和传输系统是十分必要和非常迫切的。
随着GPS载波相位实时差分测量技术（RTK）的日益成熟和广泛应用，动态情况下，厘米级的平面和高程精度已经被广大测量人员认可，且已经利用其高精度的垂直解，实现了精密水下地形测量、在航/固定式潮位测量，均取得了厘米级的高程精度。因而，RTK技术为水位数据的自动采集和传输提供了有力的手段。
近几年内，网络RTK技术在城市得到了蓬勃发展，该技术克服了传统RTK对作业距离的限制，可以全天候的在网络控制范围内进行实时的动态作业，大量的实践已经表明，网络RTK在高程方向可达到厘米级甚至毫米级的平面和高程定位精度。
天津市的网络RTK系统已经建成并启动，这为GPS RTK水位数据的自动采集和传输拓展了测量空间和精度保证。
基于网络RTK技术的水位数据自动提取和传输系统的研究，克服了传统水位测量的缺点，在无须初始设置高程的情况下，方便灵活的实现动态位置而非固定位置的水位观测，以及水位数据的实时准确传输，可全天候不定点随机地进行水位监测，即只要那里有情况，即可对那里进行动态水位监测，不用建立固定的水文基础设施，在大的洪水面前及时采集领导关心位置上的水位信息，实时的了解水位变化对于掌握洪水推进、分析预报洪水推进速度和方向，以及领导层的科学决策具有十分重要的作用。
借助实时GPS高精度定位技术以及网络传输技术（或无线电通讯技术），实时监测水位的变化，并将各个位置的水位数据传输到领导决策层的办公室，计算机中的信息系统将根据实施监控的水位，绘制水位曲线，并动态的显示实际的洪水推进、蓄洪区淹没，并给出可能涉及的迁移人口、需要转移的可能位置和可能造成的经济损失等信息。
领导决策层根据这些信息，在办公室中对水情就会有一个全面的掌握，并能够准确的下达防洪决策指令。因此，该系统的研制和开发对防洪防潮减灾具有重要的意义，也是非常必要的。
该系统为国内首创，项目的实施将对于提高天津市水位预报的自动化程度，以及在全国同类水文单位的推广应用都具有非常重要的意义。
二、项目研究的内容
项目研究的内容主要包括如下几个方面：
（1）局部精密高程转换模型的建立
GPS实测的是大地高程，而水位测量中通常采用的是国家“85”高程，这就需要通过建立高程转换模型，实现大地高程向国家“85”高程的转换。
（2）实时水位的提取
在手掌机（PDA）上编制软件，实时提取RTK高程数据，并利用已经建立的高程转换模型，获取以国家“85”高程表达的水位。
（3）渐进式水位数据的滤波算法研究
为确保水位数据的精度，需要研制一定的滤波模型，对短时间内水位数据进行渐进式滤波处理，以消除观测误差的影响。
研制模型，编制软件并镶入PDA中，确保水位数据的正确无误。
（4）野外观测单元子系统的合成
PDA收集到了水位数据以后，需要将数据发送到监控中心。数据发送目前暂且采用手机中的GPRS通讯模式实现（以后可采用网络或别的传输系统）。要实现整个系统，首先需要将PDA系统与手机系统实现合成，在此基础上，将水位数据进行编码并向手机中输送。
（5）监控单元研制
数据发送出去后，在监控单元需要实现数据的接收。数据的接收由接收单元（手机/手机模块/固定电话）以及数据管理单元（中央计算机）组成。编制程序对加密的编码进行解密处理，并对水位数据进行管理。
（6）智能监控系统的建立
水位数据的自动采集以及实时传送实现智能化。通过编写软件，实现监控中心对野外观测单元的工作状态监测和管理（GPS开关机操纵、采样间隔设置、以及数据传输内容、频率和模式选择）、数据质量管理（设置选择不同的滤波参数或模型）。真正实现对野外测量单元的智能监控。
三、系统研制的方法、技术路线和可行性分析
技术路线及研究方法：
利用现有的全球卫星定位系统（GPS）技术和网络RTK技术，实现水资源液面（水位）的实时动态监测，结合GPRS数据传输技术（网络通讯技术或其他无线电技术），将采集的位置信息、水位信息等实时地传输到指挥中心的计算机终端，如果有区域的电子地图，可将采集的数据信息实时显示，为水资源的开发利用、科学指挥提供实时、准确、全面的决策信息。
可行性分析：
已有的研究成果表明，大地高转化为正常高可通过几何法或净化大地水准面模型来实现。由于天津地区高程异常变化比较小，且GPS/水准点的分布比较均匀。收集并利用这些资料，建立一定的几何模型，便可实现大地高向正常高的精确转化。大量的文献表明，在天津地区，几何法实现高程转换可获得Ⅲ或Ⅳ等水准测量的精度。
完全动态情况下，GPS RTK可获得厘米级的高程定位精度，受外界因素的影响，实际测量中个别观测值可能出现误差。为提高水位数据的精度和可靠性，必须对水位数据进行滤波。在水位提取要求间隔比较小时，利用GPS的多余观测数据，通过加权处理，可获得高精度的滤波结果；在水位采样频率要求比较高时，利用渐进式Kalman动态自适应滤波模型，可实现对原始GPS测量的高程数据进行滤波，获得高质量的水位。上述两种方法的研究相对比较成熟，投入到本系统中是可行的。
潮位观测数据最高采样频率可设置为1Hz（GPS的采样频率），且只提取平面位置和高程，就提取内容而言， PDA完全可以胜任。将编写的软件注入到PDA中，让其作为野外工作单元的中心处理器，是完全可行的。
手机的GPRS功能可以实现数据通信，手机本身也具有外部标准接口，实现与外部单元的信息共享，且具有接受外部指令的功能。因而，利用PDA的数据处理、编码和外部通讯功能，可以实现对手机的控制以及信息的发送。
采用野外数据采集单元的逆过程，完全可以构造一个监控单元。编写相应的软件，实现接收数据的提取和管理。
利用手机的GPRS功能，可以将监控中心的指令通过监控单元的手机发送出去，野外观测单元的手机接收到该指令并传送到该单元的中央处理器(PDA单元)，激活PDA中的相关程序，并操纵完成指令要求的任务。因而，实现监控中心对野外观测单元的智能监控是可行的。
四、系统的特色
该系统具有如下特色：
（1）方便灵活。可方便地移动到任何位置、在任何状态下进行水位测量。
（2）全自动化。无须进行任何参数设置，实现水位数据的自动提取、发送、接收、数据的管理和初步分析。
（3）智能化。参数设置，指令发布、执行等整个操作在监控中心通过计算机实现，无需到野外执行。
（4）高质量的水位数据。网络RTK技术、GPS接收机以及滤波技术，确保了对水位数据的质量控制。
五、效益分析
经济效益：
系统完成后，将大大的减少人员及物资的投入，与传统的定点信息相结合，充分丰富现有信息资源，使水资源的信息更全面、更准确，对实现“数字水利”提供了一个可靠的信息采集平台。
社会效益：
数据的实时采集及传输，通过最大地利用了现有的社会资源，对防汛抗旱减灾、雨洪资源化、水资源的合理开发利用，提供了可靠的信息，可以大大地减少资源的浪费。
参考文献
1 张勤.GPS测量原理及应用。科学出版社，2010
2 缪韧。 水文学原理 。 水利水电出版社。2007
3 王锦生水文测验手册 水利水电出版社。1980
